加速冷卻的方法與流程

本發明涉及冷卻低溫系統的方法。特別地，本發明涉及利用多級冷卻來冷卻低溫系統的方法。

背景技術：

低溫系統，如mri(磁共振成像)系統，要求低溫系統所包含的超導磁體被冷卻而使得低溫系統能運行。為使得超導磁體起作用，需要將這些超導磁體冷卻至極低的溫度。例如，該溫度可能是小于20開爾文(k)。

可以利用諸如液態氮或液態氦等冷卻劑冷卻低溫系統。然而，在一些情形下，不能使用或者不期望使用冷卻劑。在這些情況下，可以使用更少使用冷卻劑材料或者根本不使用冷卻劑的其它方法或設備。例如，這可以通過使用如脈沖管制冷機(ptr)、gm制冷機、斯特林制冷機(sterlingrefrigerator)或其它類型的低溫冷卻器等低溫冷卻器來完成。

低溫冷卻器通過借助熱傳導直接冷卻目標(例如超導磁體)來工作。為了冷卻至要求溫度，經常需要使用兩級低溫冷卻器。這是因為，單級低溫冷卻器經常不能冷卻至要求溫度。

然而，因為低溫冷卻器(包括兩級低溫冷卻器在內)僅能夠進行“點冷卻(spotcooling)”，所以可能會花費兩天到三天來冷卻目標部件，并且對于更大的目標系統，可能花費兩周以上來將目標冷卻至工作溫度。這因此表明了有相當長的時間段低溫系統不能運行。這意味著，為冷卻至運行溫度，必須在低溫系統的測試或安裝期間留出相當長的時間段。這既低效又成本高，因為在低溫系統達到其運行溫度之前不能使用低溫系統且不能進行測試。因此，需要減少將低溫系統冷卻至運行溫度而更快達到運行狀態所花費的時間量。

技術實現要素：

根據本發明的一個方面，提供一種將低溫系統的目標部件加速冷卻至低溫工作溫度的方法，包括如下步驟：利用第一冷卻裝置來冷卻低溫系統的目標區域，第一冷卻裝置適于通過其與目標部件之間的熱傳導而將目標區域冷卻至第一溫度，并且所述第一冷卻裝置在第一溫度具有第一冷卻功率；利用低溫冷卻器將低溫系統的目標部件從第一溫度冷卻至工作溫度，其中第一冷卻裝置在第一溫度的第一冷卻功率大于低溫冷卻器在第一溫度的冷卻功率。第一溫度可以高于第一冷卻裝置所能達到的平衡或可持續溫度(即，基準溫度)。在該情況下，隨著溫度接近基準溫度，向基準溫度的冷卻放緩。

第一溫度的確切溫度將取決于所使用的冷卻裝置。例如，示例的第一冷卻裝置在30k可以具有大約65w的冷卻功率，而在20k為0w，因此由于隨著目標區域接近20k，冷卻放緩，因此更高效的是在高于20k的溫度開始利用低溫冷卻器冷卻。開始冷卻的最佳點可以是當目標區域已經冷卻至下述的溫度的時候：低溫冷卻器的冷卻功率至少如第一冷卻裝置在該溫度的冷卻功率一樣高(例如大于或等于)。

實際的考慮是，如果嘗試第一冷卻裝置和低溫冷卻器的交換，則低于大約80k，空氣將凝結在表面上。因此，有益的是在略高溫度執行這樣的交換從而降低污染的風險。

因為第一冷卻裝置在第一溫度具有比低溫冷卻器大的冷卻功率，所以這使得與僅使用低溫冷卻器相比初始冷卻更快速。一旦初始冷卻完成且目標部件達到第一溫度，則低溫冷卻器隨后用于從第一溫度冷卻至工作溫度，在該工作溫度，例如低溫冷卻器可以具有比第一冷卻裝置大的冷卻功率或者第一冷卻裝置可能不能達到工作溫度。已經發現，以此方式冷卻極大地提高了冷卻低溫系統尤其是目標部件的速率。利用該方法，在很多情況下冷卻低溫系統所花費的時間能夠至少減半。例如，如果系統使用常規方法冷卻花費兩周，則使用本發明的方法將(取決于確切的情形)花費大約一周。實質上，該方法允許低溫系統的目標部件比使用常規方法時更快速地冷卻。

低溫系統的目標部件通常由一個或多個輻射屏蔽件封閉，一個或多個輻射屏蔽件又收容在低溫系統的低溫恒溫器的主體內。因此，為使諸如低溫冷卻器等設備能夠通過熱傳導來冷卻目標部件，有必要使低溫系統具有提供端口的接口，低溫冷卻器的冷卻元件可以放置到該端口中。低溫系統可以具有兩個這樣的接口，使得第一冷卻裝置和低溫冷卻器同時在單獨的接口處附接到低溫系統。這將允許無需移除一個冷卻設備且用第二冷卻設備取代該一個冷卻設備就能進行全部冷卻。然而，該方法包括當目標區域處于第一溫度時用低溫冷卻器替換第一冷卻裝置的步驟。這意味著，低溫系統無需專門進行適應處理來允許執行該方法，這意味著其可以與能夠借助低溫冷卻器冷卻的任何常規的低溫系統一起使用。

常規地，低溫系統可以具有至少一個輻射屏蔽件。每個輻射屏蔽件通過有效地攔截從可能處于室溫的低溫系統外部傳遞的一些熱量來提供對其所保護的目標部件的絕緣。這放慢了低溫系統所在的環境加熱冷卻目標的速率。為了使得輻射屏蔽件(一個或多個)有效，每個輻射屏蔽件需要被冷卻從而將目標部件置于低熱輻射環境中。每個輻射屏蔽件的冷卻可獨立于目標部件的冷卻。實際上，當冷卻目標部件時，優選的是，第一冷卻裝置也通過熱傳導來冷卻至少一個輻射屏蔽件，至少一個輻射屏蔽件位于目標部件與低溫系統外部之間。此外，第一冷卻裝置也通過熱傳導來冷卻至少一個輻射屏蔽件。利用相同的裝備同時冷卻任何輻射屏蔽件，實現了更大的冷卻效率并且減少了冷卻整個系統以及目標部件所需的裝備的數量。

低溫冷卻器可以是單級低溫冷卻器，但是典型地，低溫冷卻器是兩級低溫冷卻器。這允許低溫冷卻器達到較低溫度，并且允許在低溫進行更高效的冷卻。這是因為，低溫冷卻器的第二級將被優化而在諸如4k或4.2k的低溫最高效地運轉，這樣允許在這種溫度更快速冷卻。

第一冷卻裝置可以是能夠通過熱傳導而冷卻至低溫溫度的任何設備，如通過該裝置泵送液態氦的管道或換熱器。典型地，第一冷卻裝置是單級低溫冷卻器。單級低溫冷卻器允許目標部件進行可預期冷卻，并且是不需要大量低溫流體的單個設備。使用單級低溫冷卻器且然后使用兩級低溫冷卻器與僅使用兩級低溫冷卻器相比的優點在于，兩級低溫冷卻器的第二級在中間溫度(例如在高于大約25k至40k的溫度)具有有限的冷卻功率，并且因此兩級低溫冷卻器將目標部件從室溫冷卻至4k的低運行溫度的能力非常有限。單級低溫冷卻器在冷卻至該中間溫度方面有效得多。這是因為，單級低溫冷卻器可經優化而在例如77k冷卻。因此，這通過提高初始冷卻(即，從環境溫度到中間溫度，中間溫度充當“第一溫度”)速率而提高了冷卻目標部件的速度。

將單級低溫冷卻器與目標部件耦合而允許單級低溫冷卻器與目標部件之間的熱傳導。這可以通過例如銅條或另一種導熱材料實現。

低溫冷卻器的冷卻功率通常受其尺寸以及多種其它因素影響。“現成的”單級低溫冷卻器典型地短于兩級低溫冷卻器。這意味著，為了盡可能高效地冷卻目標區域，使用某種形式的熱耦合來橋接單級低溫冷卻器與目標區域之間的間隙。

可能存在正在被冷卻的兩個部位，目標區域和目標區域周圍的輻射屏蔽件。為冷卻這兩個部位，單級低溫冷卻器可放置成與輻射屏蔽件直接接觸，而單級低溫冷卻器的底部與目標區域熱耦合。因此，單級和兩級低溫冷卻器的長度差意味著，當兩級低溫冷卻器替換單級低溫冷卻器使用時，第一級可以放置成與輻射屏蔽件直接接觸，而第二級放置成與目標區域直接接觸。

可替代地，第一冷卻裝置包括導管和換熱器，并且通過導管從外部冷卻裝置向換熱器提供冷卻流體。換熱器和外部冷卻裝置提供了單級低溫冷卻器的替代選擇，同時還提供了單級低溫冷卻器在第一溫度的較大冷卻功率方面的益處。

附圖說明

下面參考附圖詳細說明實施例，在附圖中：

圖1示出了實施例的過程的流程圖；

圖2示出了與目標部件耦合的單級低溫冷卻器的剖視圖；以及

圖3示出了與目標部件耦合的兩級低溫冷卻器的剖視圖。

具體實施方式

在全世界范圍內從低溫系統的制造商到需要它們的任何地方運送諸如mri系統等低溫系統。當制造該系統時，制造商需要測試系統以確保其按所期望地運轉。在到達時，也需要使低溫系統盡快運行而使其能夠被使用。測試和操作均要求低溫系統冷卻至其工作溫度。期望的是盡可能快速地將系統冷卻而允許測試完成或者系統盡快投入工作。由于這種低溫系統的運送所需的時間長度，并不是總能在運送之前將系統冷卻而且不是總能在到達時使系統仍然冷卻。然而，由于可能具有超過500kg的需要冷卻的質量的這種低溫系統的尺寸，利用所有已知的方法冷卻該系統都花費相當長的時間段。

為了縮短冷卻低溫系統所花費的時間，使用依照圖1所示的過程的方法。需要冷卻的低溫系統的殼體呈圍繞一個或多個輻射屏蔽件的低溫恒溫器的形式，其中每個輻射屏蔽件將收容在該輻射屏蔽件內的體積與外部環境絕緣和隔離。輻射屏蔽件(一個或多個)封閉冷卻目標(即，目標部件)，如超導磁體。

歷史上，低溫系統的目標部件先前是通過浸入如液態氦等冷凍劑池中而保持在其運行溫度。然而，冷凍劑，尤其是液態氦，因為供應正在減少而變得越來越昂貴。此外，存在不期望使用冷凍劑的情形。因此，現在能夠利用極少的低溫流體或不使用低溫流體來冷卻低溫系統。這是通過使用如低溫冷卻器等冷卻裝置來實現的。

為能夠冷卻低溫系統，尤其是目標部件，當使用低溫冷卻器時，低溫系統必須具有可以與該低溫冷卻器接合的接口。該接口包括端口，低溫冷卻器的冷卻元件能夠通過該端口來放置。端口從低溫系統的外部延伸到目標部件。這允許低溫冷卻器與目標部件耦合，即，以導熱關系與目標部件接合。該端口還允許低溫冷卻器與低溫系統中的任何輻射屏蔽件耦合。

根據該實施例，將單級低溫冷卻器與低溫系統的目標部件耦合(s101)。這通過將單級低溫冷卻器10放置在低溫恒溫器2中的端口20中來實現(參見圖2)。為了將單級低溫冷卻器與目標部件30耦合，把可由例如高導熱率的銅制成的導熱元件40附接在單級低溫冷卻器10與目標部件30之間。除了與目標部件耦合之外，單級低溫冷卻器還可以與輻射屏蔽件50耦合，這允許單級低溫冷卻器在冷卻目標部件30的同時冷卻輻射屏蔽件50。

為了實現單級低溫冷卻器與目標部件之間的耦合，通常在低溫冷卻器的端部上的接觸目標部件的銅墊與目標部件上的類似部分之間存在擠壓接觸。接觸力通過由外部螺栓對整個單級低溫冷卻器施加壓力來施加。還可通過將銅接觸墊鍍金或通過使用銦墊圈或散熱膏改善低溫冷卻器與目標部件之間的接觸。

一旦與目標部件耦合，單級低溫冷卻器10將目標部件30從初始溫度冷卻至第一溫度(s102)。因為不大可能對目標部件進行預冷，初始溫度通常是低溫系統1周圍的環境溫度。因此，其與低溫系統周圍的環境處于熱平衡。第一溫度可以例如在20k與100k之間。這可以是大于80k的溫度以使由于凝結的空氣引起的污染風險最小，或者可以為大約25k至40k，在這種溫度，兩級低溫冷卻器的冷卻功率通常超過單級低溫冷卻器的冷卻功率。

可以直接監測目標部件30的溫度，或者由于單級低溫冷卻器的冷卻功率將是已知的，可以基于目標部件的特性(例如，熱容量、質量和/或導熱低溫恒溫器性能和冷卻目標部件所花費的時間)來計算目標部件的溫度。

在達到第一溫度時，從低溫系統去除單級低溫冷卻器(s103)。這通過從目標部件30拆卸單級低溫冷卻器10以及從低溫系統10中的端口移除該單級低溫冷卻器來實現。如果單級低溫冷卻器也附接到輻射屏蔽件50，則也需要從輻射屏蔽件拆卸單級低溫冷卻器。

單級低溫冷卻器一旦停止冷卻，目標部件(以及輻射屏蔽件)將開始變熱。因此，一旦從低溫系統移除單級低溫冷卻器，則需要盡可能快速地再次開始冷卻。

在移除單級低溫冷卻器時，將兩級低溫冷卻器與目標部件耦合(s104)。另外，兩級低溫冷卻器的第一冷卻級也可以與輻射屏蔽件50耦合。

為放緩升溫速率，盡可能快速地進行單級低溫冷卻器與兩級低溫冷卻器的交換。該交換可以在氦氣氛內進行，例如，通過在交換期間將包含氦氣的“手套袋”放置到設備上。可替代地，或者另外地，可以在低溫系統內維持氦氣正壓，和/或可以在高于空氣凝結溫度的溫度執行交換。

雖然兩級低溫冷卻器的耦合類似于單級低溫冷卻器的耦合，但是這些耦合有一些差別。如圖2和圖3所示，端口20具有在低溫系統1的外部與輻射屏蔽件50之間的較寬孔20a以及在輻射屏蔽件50與目標部件30之間的較窄孔20b。如圖2所示，當位于端口中時，單級低溫冷卻器的冷卻級10a位于端口的較寬孔20a中，并且不向下延伸進入輻射屏蔽件50與目標部件30之間的較窄孔20b中。導熱元件40在單級低溫冷卻器10與目標部件30之間延伸。相比之下，如圖3所示，當位于端口20中時，兩級低溫冷卻器60具有位于端口的較寬孔20內的第一級60a以及位于端口的較窄孔20b內的第二級60b。第一級60a通常將具有30至60瓦(w)之間的冷卻功率，并且第二級60b通常將具有1與2w之間的冷卻功率。在50hz頻率工作的不同的兩級低溫冷卻器的示例的冷卻功率將為在43k的40w以及在4.2k的1w、在50k的35w以及在4.2k的1.5w、在45k的45w以及在4.2k的1w和在45k的35w以及在4.2k的1w。

低溫冷卻器(或低溫冷卻器的特定級)的冷卻功率是溫度相關的，并且因此在特定的暫態或非基準溫度下，低溫冷卻器(或低溫冷卻器的特定級)的冷卻功率可以延伸出給定范圍之外。例如，當在與第一級的基準溫度相似的溫度(例如，40k)工作時，兩級低溫冷卻器的第二級很可能具有在上文給定的冷卻功率范圍之外的冷卻功率。

通過設有兩級低溫冷卻器，為了允許第二級具有足夠的冷卻功率，不得不犧牲第一級的冷卻功率。因此，單級低溫冷卻器10可能具有大約三倍的兩級低溫冷卻器60的第一級60a的冷卻功率。據此，能夠得出，單級低溫冷卻器在第一溫度在給定期間內所提供的冷卻將比兩級低溫冷卻器的第一級在相同期間內所提供的冷卻大得多。其構造在一定程度上使管理低溫系統冷卻的人員在冷卻循環期間用第二低溫冷卻器替換第一低溫冷卻器，同時必須暫停冷卻且必須花費時間將一個低溫冷卻器替換成另一低溫冷卻器。此外，僅使用單個低溫冷卻器來冷卻低溫系統的目標部件是較簡單的且為操作員和低溫系統帶來較少的觸碰問題的風險。盡管如此，我們已經實現了系統整體的冷卻性能差異比這些因素重要。

如圖2所示，兩級低溫冷卻器60可以直接與目標部件30耦合。這可以通過第二級60b與目標部件30之間的直接接觸來完成。可替代地，可以在第二級60b與目標部件30之間設置導熱元件。

一旦與目標部件耦合，使用兩級低溫冷卻器來將目標部件從其當前溫度(即，從大約第一溫度)冷卻至工作溫度(s105)。運行溫度可在3k與20k之間，如4.2k。例如，當目標部件是由鈮鈦絲制成的超導磁體時，使用4.2k。然而，當將鈮錫絲用于充當目標部件的超導磁體時，該溫度可以更高。

如同單級低溫冷卻器，兩級低溫冷卻器60也能夠在冷卻目標部件的同時冷卻輻射屏蔽件50。這是由兩級低溫冷卻器的第一級與輻射屏蔽件之間的熱傳導耦合實現的。當然，如果存在多于一個輻射屏蔽件，則單級低溫冷卻器和兩級低溫冷卻器可僅冷卻一個輻射屏蔽件，或者可以冷卻多個輻射屏蔽件。

在達到運行溫度時，使用兩級低溫冷卻器將目標部件的溫度維持在運行溫度以下。因此，通常不從低溫系統移除兩級低溫冷卻器。然而，這可以根據需要或意愿來執行，例如，為了維修低溫冷卻器或在故障情況下進行更換。

作為可替代的實施例，替代使用導熱元件40作為單級低溫冷卻器與目標部件30之間的鏈接，將冷指形件設置在單級低溫冷卻器與目標部件之間。冷指形件可以容納液態氦，液態氦在與接觸目標部件的冷指形件的下表面的內部接觸時沸溶，并且在與單級低溫冷卻器相接觸的冷指形件的上表面的內部上凝結。

作為另一替代選擇，單級低溫冷卻器可替換成被饋送有來自外部氦儲器的氦的冷指形件。這將從在冷指形件與目標部件之間直接接觸的低溫恒溫器除熱。通過以環路從將被冷卻的外部儲器和冷指形件泵送氦，目標部件可以如利用單級低溫冷卻器所實現的那樣被冷卻。還可將換熱器附接到接口，換熱器借助從外部冷卻源被供應預冷的冷卻流體而通過端口從目標部件中除熱。